智能家電

　　構成IoT的另一類東西是家電。很多時候，正是通過IoT，我們才能智能控制我們的洗衣機、冰箱等。傳統上，我們認為只需將它們連接到電網上，設置一些信息，它們就能開始工作。在洗衣機的例子中，當周期完成時它可能會發出提示音，但僅此而已。然而，現今的聯網型家電卻能補考提示音即可給您提供信息。這會給電源設計人員帶來什么樣的影響呢？

　　這些家電原來只在有任務要執行時才開啟，現在需要始終保持開啟狀態，或者至少一些功能必須始終保持開啟狀態。為了給這些一直處于開啟狀態的功能有效供電。這種新要求增加了電源設計人員的任務。由于這些設備需要較大的功率來完成其任務，因此在大多數情況下它們被連接到電網，這樣就不再需要進行能量收集。然而，因為它們一直處于開啟狀態，所以靜態功耗和效率對新連接功能而言至關重要。很多時候，這些連接功能是以無線方式執行的，并且與本地網絡進行通信。這將功率水平要求設置得低于10W。用AC/DC反激式解決方案一般可達到這種低功率水平。有許多集成的反激式解決方案可供選擇，但這種特殊的應用有其自己的要求。圖1展示了這樣一個電源解決方案的例子，以滿足連接到IoT的需要。

　　圖1. 適用于家電連接的低功耗AC/DC解決方案

　　圖1的反激式例子有幾個主要特性。首先是它具有非常低的待機功耗，小于30mW。由于連接必須始終處于準備就緒狀態，即使家電處于空閑狀態。所以，低功耗就尤為重要。另一個方面是低電磁干擾（EMI），因為該設備很多時候將為無線通信電路供電。在這個例子中，控制器采用谷值開關和頻率抖動來幫助減少 EMI。

　　另一個方面是電源解決方案的尺寸。尺寸本身通常不是問題，關鍵看尺寸如何影響最終成本。IoT是一項振奮人心的技術，能讓洗衣機告訴您衣服已洗好待烘干，或讓冰箱通過發送到您手機上的信息告訴您門沒關好，但消費者卻不想花不必要的錢。因此該解決方案需要最大限度地降低電源解決方案的成本。可實現這一目的一種方法是減小尺寸。通過以較高的頻率運行，在這種情況下頻率是115kHz，可實現尺寸的縮減。

　　無線網絡

　　無線網絡堪稱能量“貪吃鬼”，是IoT最令人關注的挑戰之一有很多正在進行的電源設計開發工作可幫助解決這個問題。從包絡跟蹤功率放大器到數字射頻（RF）功率放大器，一切皆為基站研究和開發，這樣的例子的確不勝枚舉。鑒于許多基站由電網供電，因此有機會使那種前端功率因數控制（PFC）電源更高效。圖5展示了一種這樣的方法。這是無橋PFC的功率級。通過除去二極管橋，可使該系統效率更高。有許多不同的無橋PFC拓撲結構，但我們將聚焦連續導通模式（CCM）推拉輸出電路的版本。

　　這種拓撲結構帶來的好處是減少了組件數量和并消除了橋接損耗。通過利用氮化鎵（GaN）開關設備，我們能進一步提高效率。這些器件（Q3和Q4）可提供更低的柵極損耗，從而允許更高頻率的運行。其它寄生損耗（如Coss）也更低。此外，不存在本征體二極管，所以反向恢復損耗最小。Q1和Q2在線路頻率下被切換，并且它們可以是硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），比單用二極管能減少的損耗更多。

　　無線傳感器

　　無線傳感器通常被放置在接入比較麻煩，或接入費用很昂貴的環境中。這要求其能量供應可持續很長一段時間，一般 需要超過10年，或無線傳感器能以可靠的方式從所處環境中獲取能量。因此，這要求電源管理解決方案必須能實現這樣的目標：在能量管理運行期間，非常節約能 耗。無線傳感器還具有非常高的峰值對均值功率比，在某些情況下大于100。

　　圖2展示了無線傳感器各種功率模式的例子。在這個例子中，傳感器大部分時間處于睡眠模式，但可能喚醒進入通信模式以便進行測量 —— 這也能讓系統識別該傳感器是可用的。而在更長的間隔期間，傳感器可向系統提供更多的信息。這種傳輸可能需要更多的能量，因此依賴于所儲存的可用能量。電源 管理解決方案需要能提供所需的峰值功率，同時平均能耗非常少。如果此類系統的環境能量較低，那么電源管理解決方案必須能采集能量，直到有足夠的能量用于所 需設施。

　　圖2. 無線傳感器功率分布圖

　　圖3展示了這樣一個系統［2］的實現例子。在這個例子中，最大功率點追蹤（MPPT）是基于MPPT電壓和光伏源開路電壓的比值來實現的。這種 MPPT實現方案可最大限度地降低能耗，同時執行MPPT功能。這個例子還集成了能量存儲功能。由于儲能元件的使用壽命非常重要，因此務必注意不要使該元 件過度充放電。在這個例子中，為最小和最大存儲電壓設置了電平。

　　圖3. 適用于無線傳感器的能量管理電路圖

　　為了把所儲存的能量水平通知給系統，設計人員可從外部，主要指的是能給出該通知、VBAT_OK的地方，配置電壓電平。降壓型調節器也被集成到解決方 案，以便為系統負載供電。這個完整的系統只有500nA的典型靜態電流，即使在低電流時也能實現高效率。例如，輸入電流為500mV且充電電流為 100uA時，升壓型轉換器的效率可大于70％。

　　編輯點評：以上是對智能家電的電源電路進行了一系列的解析，在某些情況下，處理技術能使高電壓組件集成低電壓控制功能。這對于電源設計人員來說是一個很好的體驗，為電源設計人員帶來了許多新挑戰。
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